RU2042155C1 - Detector of objects against background of stars - Google Patents

Abstract

FIELD: optical detection and ranging. SUBSTANCE: detector of objects against background of state has receiving telescope, spatial-time light modulator with control unit, source of coherent light, optically coupled polarization beam splitter, objective and transmitting television camera, comparator, threshold device and video control unit connected in series as well as amplification and computation unit. It is supplemented with electrooptical shutter with unit controlling operational modes placed between source of coherent light and polarization beam splitter. Spatial-time light modulator is manufacture in the form of electron-optical converter with first transparent electrode, dielectric mirror, photorefractive crystal and second transparent electrode applied in succession. EFFECT: increased probability of detection. 4 dwg

Description

Изобретение относится к пассивной оптической локации и может быть использовано для обнаружения удаленных объектов, например геостационарных искусственных спутников Земли (ИСЗ), и их селекции на фоне звездного неба. The invention relates to a passive optical location and can be used to detect remote objects, such as geostationary artificial Earth satellites (AES), and their selection against the background of the starry sky.

Известно устройство для обнаружения объекта на фоне звезд, содержащее приемный телескоп, передающую телевизионную камеру, установленную в фокальной плоскости приемного телескопа, выходное телевизионное устройство и устройство фоторегистрации, причем выход передающей телевизионной камеры связан с выходным телевизионным устройством, выход которого оптически связан с устройством регистрации. A device for detecting an object against a background of stars is known, comprising a receiving telescope, a transmitting television camera mounted in the focal plane of the receiving telescope, an output television device and a photographic recording device, the output of the transmitting television camera being connected to an output television device, the output of which is optically coupled to a recording device.

Недостатком известного устройства являются низкие точность и быстродействие. Низкая точность обусловлена тем, что при анализе экспонированного и обработанного изображения выделение объекта на фоне звезд осуществляется визуально. Низкое быстродействие связано с необходимостью фотохимической обработки экспонированной фотопластинки устройства фоторегистрации. A disadvantage of the known device are low accuracy and speed. Low accuracy is due to the fact that when analyzing the exposed and processed image, the object is distinguished visually from the background of the stars. Low speed is associated with the need for photochemical processing of the exposed photographic plate of the photographic recording device.

Наиболее близким к изобретению является устройство для обнаружения объекта на фоне звезд, содержащее приемный телескоп, передающую телевизионную камеру, первое, второе и третье устройства сравнения, первое и второе пороговые устройства, логический элемент ИЛИ, оперативное запоминающее устройство, высокояркостную трубку, оптически сопряженную с пространственно-временным модулятором света (ПВМС) с блоком управления, источник когерентного излучения, модулятор, светоделитель, вторую передающую телевизионную камеру, блок управления и вычисления. Closest to the invention is a device for detecting an object against the background of stars, containing a receiving telescope transmitting a television camera, first, second and third comparison devices, first and second threshold devices, OR logic element, random access memory, high-brightness tube, optically paired with spatially - a temporary light modulator (PVMS) with a control unit, a coherent radiation source, a modulator, a beam splitter, a second transmitting television camera, a control unit and a subtractor Islenia.

Низкая точность этого устройства обусловлена падением пространственного разрешения в результате преобразований свет-видеосигнал, видеосигнал-некогерентный свет, некогерентный свет когерентный свет, когерентный свет видеосигнал в процессе регистрации и обработки изображения. Преобразования сигналов приводят к расширению переходной характеристики устройства обнаружения и к снижению вероятности обнаружения объекта. The low accuracy of this device is due to a decrease in spatial resolution as a result of light-video signal, video-incoherent light, incoherent light, coherent light, coherent light video signal in the process of registration and image processing. Signal transformations lead to an extension of the transient response of the detection device and to a decrease in the probability of detecting an object.

Целью изобретения является повышение вероятности обнаружения объекта. The aim of the invention is to increase the likelihood of detecting an object.

Это достигается тем, что в устройство для обнаружения объекта на фоне звезд, содержащее приемный телескоп, ПМВС, снабженный блоком управления и расположенный в фокальной плоскости приемного телескопа, источник когерентного излучения, последовательно оптически связанные поляризационный светоделитель, объектив и передающую телевизионную камеру, последовательно электрически связанные устройство сравнения, пороговое устройство и видеоконтрольное устройство (ВКУ), а также блок управления и вычисления, причем источник когерентного излучения через поляризационный светоделитель оптически связан с ПВМС, который через поляризационный светоделитель и объектив оптически связан с передающей телевизионной камерой, выход которой электрически связан с первым входом устройства сравнения, вторые входы устройства сравнения и порогового устройства электрически связаны соответственно с первым и вторым выходами блока управления и вычисления, вход которого соединен с выходом порогового устройства, введен электрооптический затвор, снабженный блоком управления режимами работы и расположенный между источником когерентного излучения и поляризационным светоделителем, причем вход блока управления режимами работы электрооптического затвора соединен с третьим выходом блока управления и вычисления, а его дополнительный выход соединен с входом блока управления ПВМС, а ПВМС выполнен в виде электронно-оптического преобразователя, на выходную волоконно-оптическую планшайбу которого последовательно нанесены прозрачный электрод, диэлектрическое зеркало, пластина электрооптического фоторефрактивного кристалла и второй прозрачный электрод, при этом пластина электрооптического фотоpефpактивного кристалла ориентирована под углом 45^о к основным кристаллографическим осям.This is achieved by the fact that in a device for detecting an object against the background of stars, containing a receiving telescope, PMVS, equipped with a control unit and located in the focal plane of the receiving telescope, a coherent radiation source, sequentially optically coupled polarizing beam splitter, lens and transmitting television camera, serially electrically connected a comparison device, a threshold device and a video monitoring device (VCU), as well as a control and calculation unit, the source of coherent radiation through a polarizing beam splitter and optically connected to the PVMS, which through a polarizing beam splitter and lens is optically connected to a transmitting television camera, the output of which is electrically connected to the first input of the comparison device, the second inputs of the comparison device and threshold device are electrically connected respectively to the first and second outputs of the control unit and computing, the input of which is connected to the output of the threshold device, introduced an electro-optical shutter equipped with a control unit for operating modes and p located between the coherent radiation source and the polarizing beam splitter, and the input of the control unit for the operation modes of the electro-optical shutter is connected to the third output of the control and calculation unit, and its additional output is connected to the input of the PVMS control unit, and the PVMS is made in the form of an electron-optical converter to the output fiber - an optical faceplate of which a transparent electrode, a dielectric mirror, a plate of an electro-optical photorefractive crystal and a second second transparent electrode, the plate fotopefpaktivnogo electrooptic crystal is oriented at an angle ^of 45 ° to the principal crystallographic axes.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства обнаружения объекта на фоне звезд; на фиг. 2 пример конструктивного выполнения ПВМС; на фиг. 3 временные диаграммы работы устройства; на фиг. 4 вид изображений объекта и фона на различных этапах обработки. In FIG. 1 is a structural diagram of an object detection device against a background of stars; in FIG. 2 example of constructive implementation of PVMS; in FIG. 3 timing diagrams of the device; in FIG. 4 view of the images of the object and background at various stages of processing.

Устройство для обнаружения объекта на фоне звезд (см.фиг.1) содержит приемный телескоп 1, ПВМС 2 с блоком управления 3, поляризационный светоделитель 4, объектив 5, передающую телевизионную камеру 6, электрооптический затвор 7 с блоком управления режимами работы 8, источник когерентного излучения 9, блок управления и вычисления 10, устройство сравнения 11, пороговое устройство 12, ВКУ13. A device for detecting an object against the background of stars (see Fig. 1) contains a receiving telescope 1, PVMS 2 with a control unit 3, a polarizing beam splitter 4, a lens 5 transmitting a television camera 6, an electro-optical shutter 7 with a control unit for operating modes 8, a coherent source radiation 9, control and calculation unit 10, comparison device 11, threshold device 12, VKU13.

ПВМС 2 (см.фиг.2) представляет собой электронно-оптический преобразователь (ЭОП) 14, на выходную волоконно-оптическую планшайбу 15 которого последовательно нанесены первый прозрачный электрод 16, диэлектрическое зеркало 17, фоторефрактивный кристалл 18, например Bi₁₂SiO₂₀, Bi₁₂GeO₂₀, второй прозрачный электрод 19.PVMS 2 (see FIG. 2) is an electron-optical converter (EOC) 14, on the output fiber-optical plate 15 of which the first transparent electrode 16, a dielectric mirror 17, a photorefractive crystal 18, for example Bi ₁₂ SiO ₂₀ , Bi ₁₂ GeO ₂₀ , second transparent electrode 19.

Устройство обнаружения работает следующим образом. The detection device operates as follows.

Формируемое телескопом 1 изображение обнаруживаемого объекта и звездного фона непрерывно регистрируют на ПВМС 2. Для этого с блока управления режимами 8 на блок управления 3 ПВМС 2 подают управляющее воздействие (см.фиг.3, а), в результате которого на фоторефрактивный кристалл 18 подается рабочее напряжение (см.фиг.3,б). Сформированное изображение объекта и фона (см.фиг. 4, а) преобразуют в электронное, усиливают в ЭОП 14 и преобразуют в оптическое, усиленное по яркости. Через волоконно-оптическую планшайбу 15 усиленное по яркости изображение объекта и фона экспонирует фоторефрактивный кристалл 18, вызывая появление потенциального рельефа Δφ(

) в объеме кристалла. Так как электрооптический затвор 7 закрыт (см.фиг.3,в), то считывание потенциального рельефа не происходит, а осуществляется накопление потенциального рельефа. В результате накопленный в течение времени накопления потенциальный рельеф Δφ_н(

) представляет собой совокупность штрихов различной ориентации (см.фиг.4,б), причем штрихи, соответствующие накопленному изображению перемещающегося фона (звезд), и штрих, соответствующий накопленному изображению перемещающегося объекта, не совпадают в общем случае по направлению и/или длине вследствие различий в направлении и скорости относительно перемещения объекта и звезд.The image of the detected object and the star background formed by the telescope 1 is continuously recorded on the PVMS 2. For this, a control action is applied to the control unit 3 of the PVMS 2 from the mode control unit 8 (see Fig. 3, a), as a result of which a working crystal is applied to the photorefractive crystal 18 voltage (see Fig. 3, b). The formed image of the object and background (see Fig. 4, a) is converted into electronic, amplified in image intensifier tube 14 and converted into optical, amplified by brightness. Through a fiber optic faceplate 15, a brightness-enhanced image of the object and background exposes the photorefractive crystal 18, causing the appearance of a potential relief Δφ (

) in the volume of the crystal. Since the electro-optical shutter 7 is closed (see Fig. 3, c), the potential relief is not read out, but the potential relief is accumulated. As a result, the potential relief Δφ _n (

) is a collection of strokes of different orientations (see Fig. 4, b), moreover, strokes corresponding to the accumulated image of a moving background (stars) and a stroke corresponding to the accumulated image of a moving object do not generally coincide in direction and / or length due to differences in direction and speed relative to the movement of the object and the stars.

Фоторефрактивный электронно-оптический кристалл при его введении в ПВМС ориентирован в направлении (110) или (111) относительно его кристаллографических осей, что позволяет обеспечить его работу на основе поперечного электрооптического эффекта. В этом режиме при считывании линейно-поляризованным светом имеет место эффект секторной пространственно-частотной фильтрации изображений, при котором пространственно-частотные составляющие спектра потенциального рельефа Δφ_н(

), соответствующие определенной ориентации ⊖ штрихов, не вызывает наведенного двулучепреломления в кристалле и, следовательно, не могут быть визуализированы при считывании. Так как направление движения звездного фона априорно известно, то путем предварительной ориентации ПВМС обеспечивают совпадения направления ⊖ с направлением движения звездного фона.A photorefractive electron-optical crystal, when it is introduced into the PVMS, is oriented in the (110) or (111) direction relative to its crystallographic axes, which makes it possible to ensure its operation based on the transverse electro-optical effect. In this mode, when reading with linearly polarized light, the effect of sectorial spatial-frequency filtering of images takes place, in which the spatial-frequency components of the spectrum of the potential relief Δφ _n (

) corresponding to a certain orientation ⊖ of the strokes does not cause induced birefringence in the crystal and, therefore, cannot be visualized during reading. Since the direction of motion of the stellar background is a priori known, then, by preliminary orientation of the PVMS, the direction ⊖ coincides with the direction of motion of the stellar background.

После окончания накопления изображения и соответствующего ему потенциального рельефа Δφ_н(

) по сигналу с блока управления режимами 8 на электрооптический затвор 7 подают открывающее напряжение и осуществляют считывание накопленного потенциального рельефа линейно-поляризованным излучением источника когерентного излучения 9. При двукратном прохождении через фоторефрактивный кристалл 18 считывающее излучение модулируется по поляризации в соответствии с записанным потенциальным рельефом с учетом секторной пространственно-частотной фильтрации. Двукратное прохождение считывающего излучения обеспечивают введением диэлектрического зеркала 17, коэффициент отражения которого максимален на длине волны считывающего излучения, а спектральный диапазон свечения люминофора выходного экрана ЭОП 14 выбирают таким, чтобы оно практически не ослаблялось диэлектрическим зеркалом 17.After the accumulation of the image and the corresponding potential relief Δφ _n (

) according to the signal from the mode control unit 8, an opening voltage is applied to the electro-optical shutter 7 and the accumulated potential relief is read out by the linearly polarized radiation of the coherent radiation source 9. When two passes through the photorefractive crystal 18, the read radiation is modulated by polarization in accordance with the recorded potential relief, taking into account sector spatial-frequency filtering. Double passage of the reading radiation is provided by the introduction of a dielectric mirror 17, the reflection coefficient of which is maximum at the wavelength of the reading radiation, and the spectral range of the luminophore of the output screen of the EOP 14 is chosen so that it is practically not attenuated by the dielectric mirror 17.

Поляризационный светоделитель 4 обеспечивает преобразование модуляции считывающего излучения по поляризации в модуляцию по интенсивности. Промодулированное по интенсивности изображение (см.фиг.4,в) объективом 5 переносят на передающую телевизионную камеру 6, где регистрируют и преобразуют в видеосигнал V(t), поступающий на первый вход устройства сравнения 11, на второй вход которого постоянно подается управляющий сигнал с блока управления на вычисления 10, вследствие чего видеосигнал V(t) проходит на выход устройства сравнения 11 без преобразования. Polarization beam splitter 4 provides the conversion of the modulation of the read radiation by polarization to modulation in intensity. The intensity-modulated image (see Fig. 4, c) of the lens 5 is transferred to a transmitting television camera 6, where it is recorded and converted into a video signal V (t), which is supplied to the first input of the comparison device 11, the second input of which is constantly supplied with a control signal the control unit for computing 10, whereby the video signal V (t) passes to the output of the comparison device 11 without conversion.

В пороговом устройстве 12 осуществляют сравнение текущих значений видеосигнал V(t) с порогом V_п, преобразуя видеосигнал в бинарный:
U_б(t)=

Бинарный сигнал V_б(t) поступает в блок управления и вычисления 10, где осуществляется его обработка, обеспечивающая определение направления φ_ш штриха, соответствующего изображению объекта, и его длину l_ш.In the threshold device 12, the current values of the video signal V (t) are compared with the threshold V _p , converting the video signal to binary:
U _b (t) =

The binary signal V _b (t) enters the control and calculation unit 10, where it is processed to determine the direction φ _{w of the} stroke corresponding to the image of the object and its length l _w .

Направление штриха может быть определено с использованием соотношений:
φ_ш=φ_об=arctg

где

(х_н, у_н),

(х_к, у_к) координаты точек, соответствующих началу и концу штрихового изображения объекта.The direction of the stroke can be determined using the ratios:
φ _w = φ _about = arctg

Where

(x _n , y _n ),

(x _k , y _k ) the coordinates of the points corresponding to the beginning and end of the line art of the object.

По определенным значениям φ_об и l_ш формируют временной строб, выбирающий фрагменты видеосигнала, соответствующие возможному смещению объекта, т.е. попадающие в области Si (см.фиг.4,г) совокупности точек, лежащих на продолжении штриха изображения объекта, для которых

l_ш, j ≡ н/к где t_ан время, затрачиваемое на анализ накопленного изображения объекта;
t_нак время накопления.According to certain values of φ _about and l _W form a temporary strobe that selects the fragments of the video signal corresponding to the possible displacement of the object, i.e. falling into the Si region (see Fig. 4, d) are the sets of points lying on the continuation of the prime line of the image of the object, for which

l _W , j ≡ n / a where t _{en the} time taken to analyze the accumulated image of the object;
t _nk accumulation time.

После регистрации изображения передающей телевизионной камерой 6 с помощью блока управления режимами 8 снимают управляющие сигналы, закрывая электрооптический затвор 7 и снимая рабочее напряжение с кристалла 18 (интервал t₃-t₄ на фиг. 3,г). После формирования стробов S_iпо управляющему сигналу с блока управления и вычисления 10 с выхода блока управления режимами 8 вновь подают сигналы управления (интервал t₄-t₅ на фиг.3,г). На кристалле 18 формируют потенциальный рельеф, соответствующий текущему изображению объекта и звездного фона (см. фиг.4,д), осуществляют его считывание и регистрацию телевизионной передающей камерой 6. Видеосигнал текущего изображения V_т(t) в устройстве сравнения 11 стробируют в соответствии со сформированными пространственными стробами Si и после пороговой обработки подают в блок управления и вычисления 10 для определения координат объекта и формирования сигнала об обнаружении. Одновременно изображение объекта индицируют на ВКУ 13 для визуального наблюдения (см.фиг.4,е).After the image is recorded by the transmitting television camera 6 using the mode control unit 8, the control signals are removed, closing the electro-optical shutter 7 and removing the operating voltage from the crystal 18 (interval t ₃ -t ₄ in Fig. 3, d). After the formation of gates S _i by the control signal from the control unit and calculating 10 from the output of the mode control unit 8, the control signals are again sent (interval t ₄ -t ₅ in FIG. A potential relief corresponding to the current image of the object and the starry background is formed on the crystal 18 (see Fig. 4, e), it is read and registered by the television transmitting camera 6. The video signal of the current image V _t (t) in the comparison device 11 is gated in accordance with formed by spatial gates Si and after threshold processing is fed to the control and calculation unit 10 to determine the coordinates of the object and generate a detection signal. At the same time, the image of the object is indicated on the VKU 13 for visual observation (see Fig. 4, f).

Исключение многократных преобразований изображения объекта из оптических сигналов в видеосигналы и вновь в оптические сигналы, приводящих к расплыванию границ изображения объекта и потере точности его обнаружения, позволяет увеличить динамический диапазон регистрируемых изображений объектов и повысить вероятность их обнаружения. The elimination of multiple transformations of the image of an object from optical signals to video signals and again into optical signals, leading to blurring of the boundaries of the image of the object and loss of accuracy of its detection, allows you to increase the dynamic range of the recorded images of objects and increase the likelihood of their detection.

Claims (1)

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТА НА ФОНЕ ЗВЕЗД, содержащее приемный телескоп, пространственно-временной модулятор света, снабженный блоком управления и расположенный в фокальной плоскости приемного телескопа, источник когерентного излучения, последовательно оптически связанные поляризационный светоделитель, объектив и передающую телевизионную камеру, последовательно электрически связанные устройство сравнения, пороговое устройство и видеоконтрольное устройство, а также блок управления и вычисления, причем источник когерентного излучения через поляризационный светоделитель оптически связан с пространственно-временным модулятором света, который через поляризационный светоделитель и объектив оптически связан с передающей телевизионной камерой, выход которой электрически связан с первым входом устройства сравнения, вторые входы устройства сравнения и порогового устройства электрически связаны соответственно с первым и вторым выходами блока управления и вычисления, вход которого соединен с выходом порогового устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения вероятности обнаружения, в него введен электрооптический затвор, снабженный блоком управления режимами работы и расположенный между источником когерентного излучения и поляризационным светоделителем, причем вход блока управления режимами работы электрооптического затвора соединен с третьим выходом блока управления и вычисления, а его дополнительный выход с входом блока управления пространственно-временного модулятора света, а пространственно-временной модулятор света выполнен в виде электронно-оптического преобразователя, на выходную волоконно-оптическую планшайбу которого последовательно нанесены прозрачный электрод, диэлектрическое зеркало, пластина электрооптического фоторефрактивного кристалла и второй прозрачный электрод, при этом пластина электрооптического фоторефрактивного кристалла ориентирована под углом 45^o к основным кристаллографическим осям.A device for detecting an object on the STAR BACKGROUND, comprising a receiving telescope, a spatio-temporal light modulator, equipped with a control unit and located in the focal plane of the receiving telescope, a coherent radiation source, sequentially optically coupled polarizing beam splitter, a lens and a transmitting television camera, a series-connected electrically connected comparison device , a threshold device and a video monitoring device, as well as a control and calculation unit, the source being coherent about radiation through a polarizing beam splitter is optically connected to a space-time light modulator, which through a polarizing beam splitter and lens is optically connected to a transmitting television camera, the output of which is electrically connected to the first input of the comparison device, the second inputs of the comparison device and the threshold device are electrically connected respectively to the first and the second outputs of the control and calculation unit, the input of which is connected to the output of the threshold device, characterized in that, in order to increase To increase the detection probability, an electro-optical shutter is introduced into it, equipped with an operating mode control unit and located between a coherent radiation source and a polarizing beam splitter, the input of the electro-optical shutter operating mode control unit being connected to the third output of the control and calculation unit, and its additional output with the input of the control unit spatio-temporal light modulator, and the spatio-temporal light modulator is made in the form of an electron-optical converter, on the output fiber-optic faceplate of which a transparent electrode, a dielectric mirror, an electro-optical photorefractive crystal plate and a second transparent electrode are successively applied, the electro-optical photorefractive crystal plate is oriented at an angle of 45 ^° to the main crystallographic axes.

Images